摘 要:為提供苧麻［Boehmeria nivea(L.)Gaud.］機(jī)械化收獲技術(shù)和裝備支持，促使快速解決苧麻收獲難的瓶頸問題，在湖北省咸寧市向陽湖基地苧麻頭麻收獲期，選取 4LZ-130型圓盤切割式苧麻收割機(jī)、4GM-185 型飼用苧麻收割機(jī)和 4MZK-200 型苧麻聯(lián)合收割機(jī) 3 種機(jī)型進(jìn)行苧麻收割效率、割茬高度、漏割情況、出現(xiàn)故障情況和平均故障間隔時(shí)間的機(jī)械選型試驗(yàn)。結(jié)果表明，4MZK-200型苧麻聯(lián)合收割機(jī)作業(yè)質(zhì)量更接近相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，更適宜高效種植模式下苧麻機(jī)械化收獲，其收割效率為 0.5 hm2/h、割茬高度為 8 cm、漏割率為 0.7%、故障診斷誤診率為 0.7%、平均故障間隔時(shí)間為 112 h。
關(guān)鍵詞:苧麻［Boehmeria nivea(L.)Gaud.］；機(jī)械化收獲；機(jī)械選型
苧麻［Boehmeria nivea(L.)Gaud.］為蕁麻科苧麻屬多年生宿根性草本植物，是起源于中國的重要纖維作物，國際上又稱“中國草”[1]，在中國長(zhǎng)江流域及以南地區(qū)廣泛種植。中國是世界第一大苧麻生產(chǎn)國，產(chǎn)量占世界的90%以上[2]。苧麻用途很廣，飼用苧麻富含蛋白質(zhì)、賴氨酸、類胡蘿卜素和鈣等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，是理想的植物蛋白質(zhì)的飼料作物[3-5]；苧麻根是傳統(tǒng)的中藥材，具有止血、止痛、解毒、抗病毒、抑菌、保肝等多種藥理活性[6,7]；苧麻纖維堅(jiān)韌，強(qiáng)力大而延伸度小，還具有不易霉變和蟲蛀，散熱快、絕緣等優(yōu)勢(shì)，是環(huán)保、低成本的良好生物原料[8-10]；同時(shí)苧麻莖稈也是優(yōu)質(zhì)的造紙、碳粉和食用菌基質(zhì)[11,12]。隨著農(nóng)村勞動(dòng)人口的老齡化和勞動(dòng)力成本的提高，苧麻全程機(jī)械化生產(chǎn)，尤其是苧麻的機(jī)械化收獲已成為亟待解決的問題[13]。本研究在湖北省咸寧市向陽湖基地苧麻頭麻收獲期，選用4LZ-130型圓盤切割式苧麻收割機(jī)、4GM-185型飼用苧麻收割機(jī)和4MZK-200型苧麻聯(lián)合收割機(jī)進(jìn)行苧麻收割效率、割茬高度、漏割情況、出現(xiàn)故障情況和平均故障間隔時(shí)間的收割機(jī)械選型試驗(yàn)，以期獲得高效生產(chǎn)模式下苧麻收獲機(jī)械較為滿意的機(jī)型，從而減輕農(nóng)民勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
1 苧麻機(jī)械化收獲發(fā)展情況
由于苧麻是韌皮纖維作物，莖稈中含有大量纖維，內(nèi)部又含有麻骨，生物產(chǎn)量大，收獲季節(jié)短，對(duì)收獲機(jī)械的工作性能和作業(yè)效率有較高的要求，加之苧麻作為中國傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)作物，國外少有研究，致使機(jī)收水平一直相對(duì)滯后。隨著苧麻產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，國內(nèi)一些高校、科研院所、企業(yè)紛紛開展了苧麻收獲機(jī)的研究，已有機(jī)型包括農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所研發(fā)的LMZ-160型履帶式苧麻收割機(jī)、湖南德人牧業(yè)集團(tuán)與中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院麻類研究所聯(lián)合研制的4QZ-2.0型履帶自走式苧麻收割機(jī)、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院麻類研究所與益陽資江收割機(jī)廠聯(lián)合研制的4LZ-130型圓盤切割式苧麻收割機(jī)、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院麻類研究所與佳木斯東華收獲機(jī)制造有限公司聯(lián)合研制的4GM-185型飼用苧麻收割機(jī)、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所研制的4MZK-200型苧麻聯(lián)合收割機(jī)5種。
2 材料與方法
2.1 試驗(yàn)區(qū)與材料選取
苧麻收獲試驗(yàn)地點(diǎn)選擇在咸寧市農(nóng)業(yè)科學(xué)院向陽湖基地，面積0.8hm2、黃壤土，試驗(yàn)品種為華苧4號(hào)。規(guī)劃無廂溝、無腰溝、小緩坡，有利于排水和機(jī)械行走，采用寬窄行栽植(寬行行距70cm，窄行行距30cm，株距50cm)，配套水肥管理、病蟲害防控高效生產(chǎn)技術(shù)。試驗(yàn)時(shí)間為苧麻頭麻期。收獲時(shí)苧麻平均高度為192cm，密度為51株/m2。試驗(yàn)測(cè)試儀器包括便攜式風(fēng)速氣象儀、秒表、卷尺、電子秤等，均為合格儀器。測(cè)試范圍和精度符合試驗(yàn)要求[14]。
2.2 試驗(yàn)方法
試驗(yàn)方法主要參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T10395.1—2009《農(nóng)林機(jī)械安全第1部分:總則》進(jìn)行。將0.8hm2麻地劃分成3個(gè)作業(yè)地塊(長(zhǎng)120m、寬20m)，每種機(jī)型1個(gè)地塊，作業(yè)地塊分為準(zhǔn)備區(qū)(長(zhǎng)10m、寬20m)、試驗(yàn)區(qū)(長(zhǎng)100m、寬20m)和停車區(qū)(長(zhǎng)10m、寬20m)3個(gè)區(qū)域，試驗(yàn)區(qū)又平均分為3壟(長(zhǎng)100m、寬5m)，每種機(jī)型試驗(yàn)3次。試驗(yàn)前，測(cè)定試驗(yàn)區(qū)苧麻平均自然高度、平均莖粗，查看倒伏情況，調(diào)整好收割機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù)；試驗(yàn)時(shí)，不換擋和改變作業(yè)速度，以正常工作狀態(tài)收割苧麻，最終停在停車區(qū)。試驗(yàn)后，檢查收割后的試驗(yàn)區(qū)有無倒伏漏割的苧麻，測(cè)量實(shí)際割茬高度、記錄出現(xiàn)故障情況和測(cè)算平均故障間隔時(shí)間。
2.3 試驗(yàn)用機(jī)
4LZ-130型圓盤切割式苧麻收割機(jī)(以下簡(jiǎn)稱4LZ-130機(jī)型)采用雙圓盤切割方式，在切割裝置上裝有撥桿，利用切割裝置的自轉(zhuǎn)帶動(dòng)撥桿實(shí)現(xiàn)撥麻的效果。采用履帶式行走方式，割幅寬度為1.3m，能夠?qū)崿F(xiàn)飼用苧麻的收割及將割斷的麻株定向撥倒[15]。
4GM-185型飼用苧麻收割機(jī)(以下簡(jiǎn)稱4GM-185機(jī)型)是在已有莖稈收割機(jī)基礎(chǔ)上研制改裝的。該收割機(jī)由XJ-502LT型輕型履帶式拖拉機(jī)提供動(dòng)力，行走幅寬1.6m，履帶寬度350mm，工作幅寬1.8m，行走速度范圍0~12km/h，動(dòng)力輸出曲柄轉(zhuǎn)速為540/720r/min可調(diào)，割臺(tái)高度可自由調(diào)節(jié)[15]。
4MZK-200型苧麻聯(lián)合收割機(jī)(以下簡(jiǎn)稱4MZK-200機(jī)型)是在LMZ-160型履帶式苧麻收割機(jī)的基礎(chǔ)上改進(jìn)研發(fā)的。主要由履帶式底盤、扶禾裝置、分禾器、自動(dòng)升降割臺(tái)機(jī)架、割刀傳動(dòng)裝置、縱向強(qiáng)制輸送裝置、橫向輸送機(jī)構(gòu)、集稈箱、液壓系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)部分組成。該苧麻聯(lián)合收割機(jī)解決了切割輸送環(huán)節(jié)割茬不整齊、切割效率低、輸送易折斷堵塞等難題，揭示了苧麻聯(lián)合收割機(jī)切割輸送作業(yè)參數(shù)中前進(jìn)速度、割刀切割速度和鏈條輸送速度對(duì)切割效率、失敗率和輸送率的影響規(guī)律，并以切割效率、失敗率和輸送率為響應(yīng)指標(biāo)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化。
3 結(jié)果與分析
由表3按照以上方法和條件，根據(jù)GB/T10395.1—2009《農(nóng)林機(jī)械安全第1部分:總則》規(guī)定的測(cè)試規(guī)格、重復(fù)次數(shù)及數(shù)據(jù)采集方式，計(jì)算出各項(xiàng)檢測(cè)指標(biāo)，數(shù)據(jù)處理結(jié)果如表1所示。通過前期收割機(jī)收割試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，苧麻的莖粗對(duì)收割機(jī)性能影響較大，莖粗越粗，收割效果越好。由表1可以看出，3個(gè)試驗(yàn)區(qū)苧麻高度和莖粗差異不大，符合3種機(jī)型收割機(jī)選型試驗(yàn)要求。
表1 3種機(jī)型收割試驗(yàn)數(shù)據(jù)
3.1 收割效率和漏割率
漏割率的計(jì)算方式為:每個(gè)行程在測(cè)區(qū)長(zhǎng)度方向上等間距測(cè)定3點(diǎn)，每點(diǎn)測(cè)定1m×1m面積范圍，計(jì)錄苧麻莖稈總數(shù)，從中挑出未切割的苧麻莖稈數(shù)，計(jì)算每點(diǎn)漏割率的平均值Lgi=Sbi/Szi×100%。其中，Lgi為i測(cè)點(diǎn)漏割率，Sbi為i測(cè)點(diǎn)中未切割苧麻莖稈數(shù)，Szi為i測(cè)點(diǎn)苧麻莖稈總數(shù)。
由表1可以看出，4LZ-130型、4GM-185型和4MZK-200型苧麻收割機(jī)的漏割率分別為2.0%、3.8%和0.7%，其中，4MZK-200機(jī)型的漏割率最低。漏割率是影響收割效率的重要因素[15]。這導(dǎo)致4LZ-130機(jī)型和4GM-185機(jī)型的收割效率均低于4MZK-200機(jī)型。3款苧麻收割機(jī)中也僅有4MZK-200機(jī)型達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)。
3.2 割茬高度
在無廂溝、無腰溝、小緩坡，利于排水和機(jī)械行走，采用寬窄行栽植(寬行行距70cm，窄行行距30cm，株距50cm)，配套水肥管理，病蟲害防控的宜機(jī)化高效種植模式下，3種機(jī)型的割茬高度均達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)，其中4LZ-130機(jī)型割茬高度最矮，4GM-185機(jī)型最高，分別為7cm和10cm。
3.3 故障診斷誤診率和平均故障間隔時(shí)間
平均故障間隔時(shí)間又稱平均無故障時(shí)間，指可修復(fù)產(chǎn)品兩次相鄰故障之間的平均時(shí)間，是衡量一個(gè)產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)，單位為“h”。它反映了產(chǎn)品的時(shí)間質(zhì)量，是產(chǎn)品在規(guī)定時(shí)間內(nèi)保持功能的一種能力。由表1可以看出，3種機(jī)型中4GM-185機(jī)型的故障診斷誤診率為1.9%，表現(xiàn)最高，平均故障間隔時(shí)間為43h，間隔時(shí)間最短；而4MZK-200機(jī)型故障診斷誤診率最低，平均故障間隔時(shí)間卻最長(zhǎng)。說明故障診斷誤診率可能是平均故障間隔時(shí)間的直接影響因素，兩者構(gòu)成反比關(guān)系。對(duì)比3種機(jī)型，4LZ-130機(jī)型和4MZK-200機(jī)型都達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)，4MZK-200機(jī)型表現(xiàn)最優(yōu)，平均故障間隔時(shí)間達(dá)到112h。
4 結(jié)論與討論
通過對(duì)3種收割機(jī)田間試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)4MZK-200型苧麻聯(lián)合收割機(jī)的作業(yè)質(zhì)量更接近相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，更能滿足苧麻收獲的基本要求。
在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)的問題總結(jié)如下。一是由于苧麻高度較高且長(zhǎng)勢(shì)不一，收割機(jī)在收割-傳送-打捆環(huán)節(jié)上還存在問題，需要繼續(xù)跟蹤研究；二是收割機(jī)重量太大，接觸面較大，對(duì)麻地后期苧麻生長(zhǎng)影響較大；三是需要加強(qiáng)對(duì)農(nóng)機(jī)手培訓(xùn)，確保農(nóng)民用好農(nóng)業(yè)機(jī)械。
苧麻產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需要提升農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝深度融合的認(rèn)識(shí)，加大資金和科研的投入，重視苧麻機(jī)械化收割的研究與開發(fā)。此次選型研究試驗(yàn)對(duì)發(fā)展苧麻機(jī)械化收獲、提高苧麻收獲效率、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、節(jié)約勞動(dòng)成本、促進(jìn)苧麻產(chǎn)業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。
參考文獻(xiàn)
[1] 朱睿,楊飛,周波,等.中國苧麻的起源、分布與栽培利用史[J].中國農(nóng)學(xué)通報(bào),2014,30(12):258-266.
[2] 國家麻類產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系.中國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略研究麻類分冊(cè)[M].北京:中國農(nóng)業(yè)出版社,2017.
[3] 王郝為,戴求仲,侯振平,等.飼用苧麻青貯特性及其青貯前后營(yíng)養(yǎng)成分與飼用價(jià)值比較[J].動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)學(xué)報(bào),2018,30(1):293-298.
[4] 賀瑤,崔慧慧,田雯,等.苧麻作為草食動(dòng)物飼草資源的潛力及其飼用價(jià)值研究進(jìn)展[J].飼料工業(yè),2016,37(21):26-30.
[5] 吳端欽,魏仲珊,高帥,等.苧麻青貯替代苜蓿干草對(duì)奶牛生產(chǎn)性能、乳成分及血清指標(biāo)的影響[J].動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)學(xué)報(bào),2017,29(5):1645-1651.
[6] 田靜.苧麻根藥材的生藥學(xué)鑒定研究[J].亞太傳統(tǒng)醫(yī)藥,2019,15(8):74-76.
[7] 陳保鋒,陳建華,母波,等.苧麻藥用研究進(jìn)展[J].中國麻業(yè)科學(xué),2016,38(5):237-241.
[8] 劉璇,成玲.苧麻纖維表面處理對(duì)其復(fù)合材料性能的影響[J].化工新型材料,2018,46(1):140-143,149.
[9] YU M M,ZHANG H H,LIU Z M,et al. Effects of fiber dimension and its distribution on the properties of lyocell and ramie fibers rein?forced polylactide composites[J]. Fibers and polymers,2019,20(8):1726-1732.
[10] ANNA DILFI K F,CHE Z J,XIAN G J. Grafting of nano-silicaonto ramie fiber for enhanced mechanical and interfacial proper?ties of ramie/epoxy composite[J]. Journal of Zhejiang University science A(Applied physics & engineering),2019,20(9):660-674.
[11] 李雪玲,佘瑋,白玉超,等.苧麻副產(chǎn)物利用及成齡麻園套作技術(shù)研究現(xiàn)狀[J].中國農(nóng)學(xué)通報(bào),2016,32(33):109-113.
[12] 張興,熊杵林,揭雨成.機(jī)械剝制苧麻副產(chǎn)物栽培平菇的研究[J].作物研究,2013,27(5):457-460.
[13] 王朕,黃浩,易應(yīng)武,等.小型油菜聯(lián)合收割機(jī)吹禾氣流管道結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào),2020,41(9):16-24.
[14] 禹振軍.谷子機(jī)械化收獲技術(shù)試驗(yàn)與分析[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械,2017(5):103-105.
[15] 劉佳杰,馬蘭,周韋,等.飼用苧麻機(jī)械化收獲發(fā)展現(xiàn)狀·問題·對(duì)策建議[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2017,45(18):173-175.
[16] 饒正良,饒崇明.200810046933.9苧麻聯(lián)合收獲機(jī)工作原理與設(shè)計(jì)技術(shù)[J].湖北農(nóng)機(jī)化,2011(3):46-48.
文章摘自：王維，蔡克桐，張奧深，黃超．宜機(jī)化種植模式下苧麻收獲機(jī)械的選型[J]．中南農(nóng)業(yè)科技，2023，44(12)：77-79．
